極端溫度下CRTSⅠ型板式無砟軌道CA砂漿受壓傷損試驗(yàn)

丁維桐,楊吉龍,吳夢瑤,楊榮山

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

CA砂漿是高速鐵路板式無砟軌道的充填層材料，起調(diào)整、支承、減振隔振等作用。其長期服役性能的優(yōu)劣關(guān)系到軌道及下部結(jié)構(gòu)的平順性、耐久性及列車行駛的安全性[1]。CA砂漿是由乳化瀝青和骨料混合制成的，因?yàn)槿榛癁r青是一種溫度敏感性材料，所以這導(dǎo)致了溫度的變化會(huì)影響CA砂漿的使用性能。

文獻(xiàn)[2]研究了齡期對(duì)CA砂漿力學(xué)參數(shù)的影響，CA砂漿的抗壓強(qiáng)度和彈性模量都隨放置天數(shù)的增長呈線性增長。文獻(xiàn)[3]研究了CA砂漿力學(xué)性能和體積對(duì)溫度的穩(wěn)定性，得出了溫度從-10 ℃增加到40 ℃時(shí)，CA砂漿的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均呈降低趨勢的結(jié)論。文獻(xiàn)[4]研究了不同溫度條件下不同瀝青含量水泥瀝青砂漿的抗壓性能，發(fā)現(xiàn)力學(xué)特性會(huì)逐漸出現(xiàn)韌-脆轉(zhuǎn)換，描述了不同瀝青含量情況下水泥瀝青砂漿力學(xué)性能隨溫度變化的定量關(guān)系。文獻(xiàn)[5]研究了不同應(yīng)變率下的CA砂漿單軸抗壓特性。文獻(xiàn)[6]在不同溫度、齡期和加載速率共同作用下，對(duì)CRTSⅡ型CA砂漿進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究了CA砂漿在溫度及齡期相互作用下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及破壞形態(tài)變化規(guī)律。文獻(xiàn)[7]發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，CA砂漿的峰值應(yīng)力和彈性模量均降低且存在線性關(guān)系，水灰比對(duì)CA砂漿的溫敏性也有影響。文獻(xiàn)[8]從動(dòng)靜態(tài)力學(xué)行為出發(fā)，研究了不同乳化瀝青水泥砂漿的力學(xué)行為。上述文獻(xiàn)所研究溫度的范圍很小，均未考慮到極端溫度下對(duì)CA砂漿的影響程度。然而在幅員遼闊的地域，氣溫差異非常大。隨著高速鐵路無砟軌道的發(fā)展，CA砂漿所面臨的氣候條件也越來越復(fù)雜。

基于上述考慮，研究在極端溫度條件下的CRTSⅠ型板式無砟軌道CA砂漿的力學(xué)性能，測得了應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，研究了不同溫度狀況下的彈性模量和抗壓強(qiáng)度及峰值，并以本試驗(yàn)為基礎(chǔ)，嘗試用切線模量的退化來度量試件的損傷程度，研究了不同溫度下的CA砂漿的損傷檻值和溫度傷損程度。

1 試驗(yàn)

1.1 CRTSⅠ型CA砂漿的原材料及配合比

水泥乳化瀝青專用干料:24 h體積膨脹率2.1%，7 d線長度膨脹率0.1%，1 d抗壓強(qiáng)度7.4 MPa。乳化瀝青:陽離子乳化瀝青，固含量60.1%、黏度、針入度、延度等滿足要求；聚合物乳液的相關(guān)性能指標(biāo)滿足要求。水:自來水。消泡劑:有機(jī)硅消泡劑。CRTSⅠ型CA砂漿的配合比如表1所示。將拌制好的CA砂漿液體倒入φ50 mm×50 mm的塑料模具中，在中心位置埋入溫度傳感器，24 h后拆掉模具，將試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下(20±3 ℃，65±15% RH)養(yǎng)護(hù)28 d。

表1 CRTSⅠ型CA砂漿原材料配合比

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取制備好的Ⅰ型試件21個(gè)，分7組，每組3個(gè)，記為M1、M2、M3，編號(hào)為1～7，第7組為對(duì)照試驗(yàn)組。用游標(biāo)卡尺測量試件底面直徑，精確到0.02 mm，測量3次后取平均值。其中對(duì)照組在室溫條件下進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，第1組試件在溫度箱中，調(diào)節(jié)溫度為-50 ℃，直到試件溫度達(dá)到設(shè)定溫度，并在此溫度下用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸靜態(tài)抗壓測試，試驗(yàn)機(jī)的加載速率為1 mm/min。測出每個(gè)試件的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。其他各組試件按照相同方法，分別在-40、-30、20、40、60 ℃和80 ℃下進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)注意測量室溫并做記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度變化對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變的影響

不同溫度條件下CA砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，由圖1可見，不同溫度狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀大致相同，曲線達(dá)到峰值后緩慢下降，這是由于瀝青的黏彈性改變了砂漿的韌性。當(dāng)曲線越過峰值后趨于平緩，說明砂漿仍具有承載能力，存在一定的韌性和延性。砂漿在正溫和負(fù)溫的應(yīng)力差別很大，負(fù)溫時(shí)瀝青處于脆性狀態(tài)，正溫時(shí)瀝青處于塑性狀態(tài)，當(dāng)溫度從-50 ℃升至80 ℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度由16 MPa降至1.6 MPa。

圖1 CRTSⅠ型砂漿應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 溫度變化對(duì)彈性模量的影響

取應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力為抗壓強(qiáng)度σp，取0.3σp～0.5σp之間的割線斜率表示砂漿的靜態(tài)彈性模量[7]。由試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪制log(E)彈性模量-溫度曲線，如圖2所示。

圖2 CRTSⅠ型砂漿彈性模量-溫度曲線

由CRTSⅠ型砂漿log(E)彈性模量-溫度曲線可知，在低溫時(shí)，當(dāng)溫度由-40 ℃降到-50 ℃時(shí)，彈性模量有急劇增加的現(xiàn)象。研究表明，乳化瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在-40 ℃左右，由此可見，在-50 ℃時(shí)，砂漿的變形微小，彈性模量較大，此時(shí)已處于玻璃態(tài)。-40 ℃時(shí)，砂漿完成了由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。在-40～40 ℃的階段，砂漿則基本表現(xiàn)出橡膠態(tài)的特性，彈性模量呈現(xiàn)出有規(guī)律的遞減。在40 ℃時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。研究表明，35 ℃左右為乳化瀝青的軟化點(diǎn)，由此可知，本試驗(yàn)中乳化瀝青在40 ℃達(dá)到軟化點(diǎn)，當(dāng)溫度大于40 ℃時(shí)，砂漿材料呈現(xiàn)出一定的流變性。

2.3 溫度變化對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 不同溫度下砂漿破壞情況

抗壓強(qiáng)度是一項(xiàng)體現(xiàn)砂漿受壓時(shí)力學(xué)性能的重要參數(shù)。通過處理不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線所得抗壓強(qiáng)度如表2所示。以-50 ℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度作為參考抗壓強(qiáng)度，當(dāng)溫度分別為-40、-30、20、40、60、80 ℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別降低了8.80%、41.67%、87.30%、90.29%、93.01%、93.93%。CA砂漿抗壓強(qiáng)度隨著溫度的增高而減小，這是因?yàn)闇囟壬吆?，瀝青由脆性轉(zhuǎn)變成塑性，承載能力越來越弱。

表2 不同溫度下砂漿的抗壓強(qiáng)度 MPa

從圖3可以看出，砂漿的抗壓強(qiáng)度與溫度變化存在某種擬合關(guān)系，本文在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用多項(xiàng)次函數(shù)得到擬合曲線如圖3所示。

圖3 CRTSⅠ型砂漿抗壓強(qiáng)度-溫度曲線

擬合曲線關(guān)系式可以表示為

σ=3.279 55-0.103 23×T+0.001 46×T2-

6.962 64×10-6×T3

(-50 ℃≤T≤80 ℃)

(1)

擬合后相關(guān)系數(shù)為0.97，擬合度較高。由表2中的關(guān)系數(shù)值可以看出，抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高快速減小，之后趨于平緩。擬合結(jié)果和實(shí)際情況十分吻合，相關(guān)系數(shù)接近1，由此說明，上述公式可以作為預(yù)測曲線來準(zhǔn)確計(jì)算砂漿的抗壓強(qiáng)度。

通過上述兩個(gè)關(guān)系式，對(duì)不同溫度條件下Ⅰ型砂漿的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，得出砂漿抗壓強(qiáng)度與溫度之間的經(jīng)驗(yàn)公式。

3 溫度變化下砂漿傷損特性分析

在不同的溫度條件下處理后加載試件，得到的試樣破壞情況如圖4所示。由圖4可見，在極端低溫下，試件的裂紋非常大，并出現(xiàn)一定的掉塊現(xiàn)象，而當(dāng)溫度高于常溫時(shí)，破壞情況并不嚴(yán)重。這是因?yàn)樯皾{中的瀝青是黏彈性材料，賦予了砂漿同樣的性能，在溫度從低到高過程中，砂漿從脆性特征表現(xiàn)為塑性特征。然而這種非勻質(zhì)材料，在溫度的作用下會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，由此引發(fā)內(nèi)部細(xì)微裂紋的發(fā)展，從而間接影響彈性模量出現(xiàn)非線性的變化。

損傷最早的時(shí)候是通過受損材料橫截面的有效面積的變化來判定的。由于材料受損時(shí)的有效面積難以測量，有部分學(xué)者提出通過利用彈性模量的變化來定義損傷[12-20]。該假說認(rèn)為，當(dāng)應(yīng)力作用于受損材料，此時(shí)應(yīng)力情況下所引起的變形可等效于作用在一虛擬的無損材料上的變形，此時(shí)虛擬無損材料的受荷載面積等于受損材料的有效承載面積[12]。

本文從宏觀角度上給出極端溫度傷損程度的定義

(2)

式中，E0為初始時(shí)的切線模量；EC為任一應(yīng)力水平比情況時(shí)相對(duì)應(yīng)的切線模量，其中應(yīng)力水平比表示不同溫度情況下CA砂漿應(yīng)力-應(yīng)變曲線增加階段中任一應(yīng)力與相對(duì)應(yīng)抗壓強(qiáng)度的比。

通過這種計(jì)算，可以忽略內(nèi)部傷損產(chǎn)生的初始微縫隙和微裂紋，能夠簡化內(nèi)部傷損變化的過程，從而對(duì)傷損的變化進(jìn)行有效的分析。引入混凝土中描述損傷程度的方法及應(yīng)力空間的概念，來描述不同溫度處理下的損傷情況[14-15]。

在應(yīng)力空間[14]中，將砂漿損傷過程趨于穩(wěn)定的應(yīng)力大小稱為損傷應(yīng)力檻值σk，定義損傷應(yīng)力檻值為砂漿傷損程度為0.05時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力[16]。通過分析可以得到不同溫度下的砂漿損傷應(yīng)力檻值σk以及與抗壓強(qiáng)度σC的比值RC(RC=σk/σC)。如表3所示。

表3 砂漿的σk和RC

由表3可知，隨著溫度的不斷上升，損傷應(yīng)力檻值在減小。這說明在低溫狀態(tài)時(shí)，砂漿承載能力相應(yīng)提高了，而溫度升高之后承載能力逐漸下降，這是由于砂漿中的瀝青的存在，瀝青在低溫時(shí)表現(xiàn)出脆性狀態(tài)，高溫時(shí)表現(xiàn)出黏塑性狀態(tài)[7]。以-50 ℃為準(zhǔn)參考溫度，-40，-30，20，40，60，80 ℃的平均損傷應(yīng)力檻值依次降低了47.42%，69.36%，84.01%，84.29%，85.23%，93.39%。當(dāng)溫度增大到一定時(shí)，溫度對(duì)砂漿的應(yīng)力影響不是非常明顯，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是瀝青還有一定的高溫潤滑性，高溫潤滑性影響了砂漿應(yīng)力-應(yīng)變曲線的狀態(tài)，從而導(dǎo)致了砂漿損傷應(yīng)力檻值不斷減小，同時(shí)也減小了砂漿的抗壓強(qiáng)度，因此，在溫度升高時(shí)，砂漿的應(yīng)力檻值與抗壓強(qiáng)度的比值RC受溫度的影響不是很明顯。

4 結(jié)論

通過單軸壓縮試驗(yàn)，研究了不同溫度下砂漿的彈性模量和抗壓強(qiáng)度，根據(jù)測試結(jié)果得出以下結(jié)論。

(1)隨著溫度的升高，砂漿的抗壓強(qiáng)度和彈性模量變小，通過模量-溫度曲線表現(xiàn)出砂漿彈性模量由脆性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?。?duì)強(qiáng)度-溫度曲線進(jìn)行三次多項(xiàng)式擬合，能夠?qū)Σ煌瑴囟认碌纳皾{抗壓強(qiáng)度進(jìn)行較優(yōu)的擬合。

(2)砂漿的模量和抗壓強(qiáng)度對(duì)溫度非常敏感。在極端低溫下，砂漿損傷的檻值均增高。隨著溫度的升高，砂漿損傷應(yīng)力檻值減小，當(dāng)溫度增大到一定時(shí)，砂漿的應(yīng)力檻值與抗壓強(qiáng)度的比值RC受溫度的影響不是很明顯。